Antimadde Hakkında Bilmediğiniz 10 Şey

Adeta bir bilim kurgu malzemesi olan antimadde ya da karşıt madde popüler kültürün mihenk taşıdır! Antimaddeyle Dan Brown’nın Melekler ve Şeytanlar adlı kitabında Robert Langdon’ın Vatikanı bir antimadde bombasından kurtarma girişimi esnasında karşılaşıyoruz. Daha sonra Star Trek’in yıldız gemisi Enterprise’ın (Atılgan) daha hızlı hareket edebilmesi için warp motorunun antimadde ile çalışıyor olması ve daha niceleri sanat ve kültür mecrasına derinlemesine işlemiş bir antimadde furyasına işaret ediyor. Peki bu herkesin dilinden düşmeyen antimadde nedir? Bu sorunun cevabını vermek için öncelikle madde nedir onu tanıyalım.

Madde Nedir?

Dünyamızdaki şeylerin çoğu bilim insanlarının “Madde” dediği formdan oluşur. Üzerinde yaşadığımız Dünya, binalar, köprüler, barajlar, bu yazıyı okuduğunuz cihaz hatta yaşayan tüm canlılar maddeden oluşur. Kısaca evrendeki çoğu şey maddelerden meydana gelir. Madde olmadan yaşam mümkün değildir. Peki öyleyse madde nedir? Madde atom yığınlarından oluşur. Atom ise maddenin en küçük yapı taşıdır. Atomlar içeriğinde elektron, proton ve nötron kümelerini barındırır. Ve bu parçacıkların her birinin kendine has özellikleri bulunur. Elektron negatif yüklü parçacıklardır ve atom çekirdeğinin etrafındaki yörüngelerde dönerler. Proton ise atom çekirdeğinde yer alan hareketsiz ve pozitif yüklü parçacıkları oluşturur. Ayrıca çekirdek içerisinde hareketsiz, yüksüz parçacıklar olan Nötronlar bulunur. Bu parçacıkların özellikleri temelde birbirinden farklı olsalar da tek bir ortak özellikleri vardır. Bu özellik, atomun belirli bir şekilde davranmasına ve çevresiyle belirli bir şekilde etkileşimde bulunmasına neden olur. İşte bu özellik maddeyi oluşturur.

Antimadde Nedir?

Maddeyi tanımladığımıza göre artık gönül rahatlığıyla antimaddeyi tanımlayabiliriz. Her şey 1928 yılında İngiliz fizikçi Paul Dirac‘ın Schrödinger denklemini genişleterek Albert Einstein‘in Görelilik kuramına uyumlu hale getirmek istemesiyle başladı. Yaptığı deneyler sayesinde amacına ulaşan Dirac, deneyleri sonucunda beklentisinin ötesinde bir keşifle karşılaştı. Elde ettiği denklem spin kuantum sayısını s=1/2 olarak veriyordu. Böylece elektronun spini kolaylıkla görülmüş oluyordu. Ancak Dirac denklemi elektrona uygulandığında ikinci bir pozitif yüklü elektronun da aynı denklemi sağlayacağını keşfetti. Tabi önce bu pozitif yüklü parçacığın proton olduğunu düşündü yine de bu sağlama olay ufkuna ters düşüyordu. Daha sonra pozitif yüklü bu parçacığın elektronla aynı kütleli ve aynı spinli olması gerektiği anlaşıldı.

1932 yılında Amerikalı fizikçi Carl David Anderson Bulut Odası adlı iyonlaştırıcı parçacık dedektörüyle kozmik ışınları inceleyerek bu pozitif yüklü elektronu gözlemlemeyi başardı. Hatta bizzat kendisi parçacığı ilk başta tanımlayamamış “Denklemim benden akıllı!” demiştir. Günümüzde bu parçacığa pozitron diyoruz. Pozitron ise antimadde dediğimiz karşıt maddenin yapı taşını oluşturuyor. Pozitronlar elektronların zıddıdır. Bu nedenle pozitron barındıran maddeleri antimadde olarak sınıflandırıyoruz. Her maddenin bir antimadde eş değeri vardır. Pozitronlar elektronlarla bir araya geldiklerinde birbirini yok ederler ve geriye enerjiden başka bir şey bırakmazlar.

Antimadde Hakkında Bilmediğiniz 10 Şey

Antimadde hakkında verdiğimiz tanımlar sayesinde birçok değerli bilgi edinmiş olduk. Şimdi de antimadde dediğimiz şey hakkında bilmeniz gereken ama bilmediğinizi varsaydığımız 10 ilginç bilgiyi listeliyoruz. Gelin, bu birbirinden ilginç antimadde hakkında yazılmış ve zihinlerinizde fırtınalar koparacak listeyi inceleyelim!

10. Antimadde, büyük patlamadan sonra evrendeki tüm maddeyi yok etmeliydi.

Madem her maddenin bir eşdeğeri antimadde var, öyleyse neden elektronlar ve pozitronlar bir araya geldiklerinde her şey yok olmadı? Büyük Patlama (Big Bang) teorisine göre evren tekillik noktasından ibaret iken bir patlama ile genişlemeye başladı. İşte bu esnada pozitronlar ve elektronlar birbiriyle karşılaşıp büyük patlamayı dumur edecek ekstra bi patlamayla yaşamı felç edebilir tüm maddeyi yok edebilirdi. Yani prensipte hiç olmayabilirdik.

Ancak öyle olmadı. Fizikçiler bu durumu henüz açıklığa kavuşturamamış olsalar da tek nedenin her milyar eşdeğer antimadde parçacığına ek olarak fazladan bir madde parçacığı olmasından kaynaklandığını düşünüyor.

9. Antimadde Size Sizden Daha Yakın!

Çok küçük miktarlarda antimadde uzaydan gelen kozmik ışınlar ile Dünya’ya sürekli yağar. Bu parçacıklar metrekare başına 1 nanogramdan daha az miktarlarda ve yeryüzüne çok hızlı hareket ederek ulaşır. Ayrıca bilim insanları gök gürültülü fırtınaların üzerinde antimadde oluşumuna dair izler keşfettiler.

Size sizden daha yakın olan bir başka antimadde kaynağı ise muzdur. Evet, yanlış duymadınız! Muz her 70 – 75 dakikada yapısındaki her elektron eşdeğerinde pozitron salgılar. Bunun sebebi, muzun doğal yollarla oluşan bir potasyum izotopu olan potasyum-40 içermesinden kaynaklıdır. Potasyum-40 bozunduğunda, bazen çevresine pozitron yayar. Hatta vücudumuzda da Potasyum-40 bulunur. Ancak üretilen antimadde miktarı çok az olduğundan madde ile temas ettiğinde yok olur.

8. Bilim İnsanları Çok Küçük Miktarlarda Antimadde Yarattı.

Antimaddelerin parçalanması sürecinde büyük miktarda enerji açığa çıkar. 1 gram antimadde, nükleer bomba büyüklüğünde bir patlama oluşturabilir. Bununla beraber bilim insanları laboratuvar koşullarında çok az miktarlarda antimadde üretebilmiştir. Antimaddenin bir diğer bileşeni de antiprotondur. Bu parçacıkta tıpkı pozitron gibi doğal madde yapısında bulunamaz. Çünkü madde ile teması halinde hemen yok olur. Amerikan parçacık fiziği laboratuvarı Fermilab‘ın manyetik alanlar üreten 1.000’den fazla süper iletken mıknatısa sahip ve yerin 25ft altına gömülü olan Tevatron parçacık hızlandırıcısında yalnızca 15 nanogram antiproton üretmiştir. CERN‘de bu sayı yaklaşık 1 nanogramdır. Alman ulusal araştırma merkezi DESY‘de şimdiye kadar yaklaşık olarak 2 nanogram pozitron üretildi. Ancak endişelenmeyin! Çünkü şimdiye kadar bilim insanları tarafından yapılmış tüm antimadde bir anda yok edilmiş olsaydı, açığa çıkan enerji bir fincan kahveyi kaynatmak için bile yeterli olmazdı. Peki ya neden bu kadar az üretiliyor? Çünkü 1 gram antimadde üretmek için milyonlarca kW enerji gereklidir. Ayrıca maliyet olarak milyonlarca dolarda cabası…

7. Antimadde Kapanı

Antimaddenin özelliklerini inceleyebilmek ve madde ile temasını engelleyerek hassas ölçümler yapabilmek için bilim insanları Penning Tuzağı dedikleri depolama cihazını geliştirdiler. Bu cihaz elektrik ve manyetik alanlar ile statik elektrik kullanarak yüklü parçacıkların hareketini sınırlıyor. Böylece antimadde, tuzağın duvarlarıyla çarpışmadan hareketine devam ediyor.

Pozitronlar ve antirprotonlar Penning Tuzakları adlı verilen cihazlarda tutulabilir. Fakat antihidrojen gibi yüksüz parçaçıklar üzerinde çalışmaz çünkü bu parçacıklar yüksüz olduğundan manyetik alanlarla sınırlandırılamazlar. Antihidrojen gibi parçacıklar manyetik alanın her yönde genişlediği mekansal bir uzay yaratarak çalışan Ioffe tuzaklarında tutulabilirler.

Penning tuzakları haricinde dünyanın manyetik alanı da bir tür antimadde tuzağı olarak iş görebilir. Bilim insanları dünyamızı saran ve görünmez bir kemer olan Van Allen Kuşağı‘nda antiproton izlerine rastladı.

6. Antimaddelerin Yer Çekimi İle İmtihanı

Standart teoriye göre yer çekiminin madde ve antimadde üzerinde aynı etkiye sahip olması gerektiği öngörülüyor. Ancak bu öngörü sadece bir varsayımdan ibaret. Bilim insanları AEGIS, ALPHA ve GBAR deneylerinde bu teoriyi kanıtlamaya çalışmaktadır. Her halukarda antimaddenin yer çekimi etkisiyle düşüşünü bir ağaçtan düşen cevizi gözlemlemek kadar kolay olmadığını biliyoruz. Bu deneyler sayesinde antimaddelerin tuzaklarda tutulması veya mutlak sıfırın hemen üzerindeki sıcaklıklara soğutarak yavaşlatılması gerekir. Ayrıca kütle çekim kuvveti temel kuvvetlerin en zayıfı olduğu için, bilim insanları bu deneylerde manyetik kuvvetinin müdahalesini önlemek için daha güçlü nötr antimadde parçacıkları kullanmalıdır.

5. Antimadde Parçacık Yavaşlatıcılarda Gözlemlenebilir!

Eminim ki herkes parçacık hızlandırıcıları duymuştur. Örneğin CERN’deki LHC (Büyük Hadron Çarpıştırıcısı), Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’nda yer alan RHIC ve son zamanlarda adını sıklıkla duyduğumuz Fermilab’ın PIP-II projesi. Peki ya parçacık yavaşlatıcıları duymuş muydunuz? İlk örneğimizde CERN’den bahsetmiştik. CERN aynı zamanda The Antiproton Decelerator adlı bir yavaşlatıcıya ev sahipliği yapıyor. The Antiproton Decelerator antimadde çalışmaları için düşük enerjili antiprotonlar üreten türünün tek örneği bir yavaşlatıcıdır. Bu yavaşlatıcı adı üstünde hızlandırıcıların aksine ters yönde çalışır. Örneğin Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda parçacıklar her devrini tamamladığında bir enerji darbesi alırlar. Ancak yavaşlatıcılarda bükme ve odaklanma mıknatıslarından oluşan silindirik bir blok içerisinde hareket eden antiprotonlar mıknatıslardaki güçlü elektrik alanları sayesinde bir yavaşlama döngüsüne tabi tutulur. Başka bir deyişle hızla dönen antiprotonlar her yönden etki eden manyetik enerji sayesinde evcilleştirilir.

4. Nötrinolar Madde Ve Antimadde Arasındaki Asimetriyi Açıklayabilir.

Bir madde ile antimadde birbirlerinden ayırt edilmeyi kolaylaştıran zıt yükler taşır. Madde ile nadiren etkileşime giren neredeyse kütlesiz parçacıklar olan nötrinolar yüksüzdür. Bilim insanları bunların kendi antiparçacıkları olan varsayımsal bir parçacık sınıfı olan Majorana parçacıkları olabileceğine inanıyor. Ayrıca Majorana Demonstrator ve EXO-200 gibi nötrinolarla ilgili araştırma yapan deneylerde nötrinoların Majorana parçacıkları sınıfına dahil olup olmadığını araştıran bilim insanları çift beta bozunması adı verilen bir davranışı gözlemlemeye çalışıyor. Eğer bu deneyler amacına ulaşırsa Büyük patlamadan sonra +1 fazla parçacığın madde ve antimadde asimetrisine neden olup devamında evrenin oluşma sürecini perçinlediği anlar açıklanabilecek.

3. Antimaddeler Nükleer Tıp Tetkiklerinde Kullanılıyor

PET/CT (Pozitron Emisyon Tomografisi) terimini mutlaka duymuşsunuzdur. Hastanelerde Radyoloji veya Onkoloji servisine işiniz düşerse mutlaka görebileceğiniz bilgisayarlı tomografinin birleşiminden oluşan bir görüntüleme cihazıdır. PET/CT’nin çalışma mantığı şöyledir: Genellikle kanser hastalarında kanserli hücrelerin tanısında kullanılan cihaz pozitron yayan radyoaktif izotopların (potasyum-40 gibi) vücuda gönderilerek vücut tarafından doğal olarak oluşturulan glikoz gibi kimyasal maddelere bağlanmasını esas alır. (PET/CT’ye girmeden önce hastaya FDG(florodeoksi glukoz) enjekte edilir.) Haliyle glikoz molekülleri de kanserli hücrelerin bulunduğu bölgelerde yoğunlaşır. Bu bağlantı esnasında pozitronlar bir antimadde olduğu için glikoz ile bağlantı kurduğu an yok olur. Bu yokoluş esnasında enerji açığa çıkar. Bu enerjiler düşük seviyelerde gama ışınları oluşturur ve cihaz tarafından yüksek çözünürlüklü olarak görüntülenir.

2. Varoluşumuzu Engellemesi Gereken Antimadde Hala Dış Evrende Bir Yerlerde Olabilir.

Bilim insanlarının akıllarında soru işareti bırakan antimadde-madde asimetrisi probleminin bir başka çözümü de büyük patlama sonrasında arta kalan ve yaşamı tehdit eden ilk antimaddenin araştırılmasıyla çözümlenebilir.

1. Uzay Araçlarına Antimadde Dopingi

Sadece bir gram antimadde içeriğinde muazzam bir güç barındırıyor! Öyleyse onu neden uzay araçları ve roketler için yakıt olarak kullanmayalım. Ancak bilin bakalım ne eksik?

Fütüristik bilim kurgu filmlerinde de sıklıkla karşılaştığımız antimadde yeterli miktarda elde edildiğinde antimadde ihtiva eden roketlerde itici bir güç olarak kullanılabilir. Bu durum varsayımsal olarak mümkündür. Ancak günümüzde antimaddenin seri üretimini yapabilecek bir teknoloji bulunmamaktadır. Bununla birlikte bir grup araştırmacı antimadde üretimi için simülasyon çalışmaları yapmıştır. Araştırmacılar arasında sırasıyla Western Reserve Akademisi ve Kent Eyalet Üniversitesi’nde görev yapan Ronan Keane ve Wei-Ming Zhang ile Washington Eyalet Üniversitesi’nden Marc Weber ve meslektaşları bulunmaktadır.

Son olarak; Eğer bir gün bol miktarda antimadde üretir veya bulabilirsek insanlığın yıldızlararası yolculuk fikri bilim kurgu senaryosu olmanın ötesinde bir gerçekliğe dönüşecektir.